基于Multisim的同相串聯(lián)型心電放大器實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

李強(qiáng)，葉洋，呂錦彬，劉莉

（新疆醫(yī)科大學(xué)厚博學(xué)院，新疆克拉瑪依，834000）

0 引用

在醫(yī)療儀器中，信號多是由傳感器對溫度、壓力、血流、呼吸等進(jìn)行變換得到的。這些換能器產(chǎn)生的電信號往往非常微弱，而且其中包含了各種共模干擾信號。以心電信號為例，其主要頻率范圍為0.05-100 Hz，幅值約為10 μV-4 mV，信號微弱且不能用示波器測量。另外生物體內(nèi)還包含多種生物信號，這多種信號之間存在著干擾，導(dǎo)致噪聲強(qiáng)難測量。因此，應(yīng)用于心電信號測量的放大器應(yīng)具有高輸入電阻、高共模抑制比和高電壓放大倍數(shù)、低噪聲及強(qiáng)抗干擾能力等特點(diǎn)。目前心電圖機(jī)前置放大器多采用同相串聯(lián)型運(yùn)放組成的心電放大器。

1 同相串聯(lián)型心電放大器的組成結(jié)構(gòu)

同相串聯(lián)型運(yùn)放組成的心電放大器實(shí)驗(yàn)電路如圖1所示，信號uI1由運(yùn)放A1的同相輸入端輸入，A1的輸出信號uo1和信號uI2一起輸入至運(yùn)放A2，從A2獲得單端輸出。差動信號從兩個(gè)運(yùn)放同相輸入端輸入，一般輸入阻抗可達(dá)到幾十兆歐姆。

圖1 同相串聯(lián)型心電放大電路

由uI1和運(yùn)放A1所構(gòu)成的第一級電路為同相比例運(yùn)算放大器，因此輸出電壓uo1為[1]

由uo1、信號uI2和A2構(gòu)成的第二級電路為加減運(yùn)算放大器，因此輸出電壓uo2為：

當(dāng)R2/RF2=RF1/R1時(shí)，電壓放大倍數(shù)為[1]

從圖中電路可計(jì)算出Au1=27信號由A2輸出后，uo2與A3構(gòu)成了同相比例運(yùn)算放大器，因此輸出電壓放大倍數(shù)為Au3=1+RF/R2=33，由A1、A2組成的差動放大器與A3共同構(gòu)成了多級放大電路，則這個(gè)電路的放大倍數(shù)Au=Au1*Au3=27*33=891倍。

2 Multisim仿真軟件簡介

Multisim軟件是由美國國家儀器有限公司推出的一種集成電路設(shè)計(jì)和電路測試虛擬仿真軟件，適用于模擬、數(shù)字電路設(shè)計(jì)與分析工作。該軟件具有直觀的圖形界面、眾多的元器件、豐富的測試儀器、強(qiáng)大的仿真能力、完善的仿真分析等特點(diǎn)，尤其在波形顯示、波特圖分析、頻譜分析等方面具有較大的優(yōu)勢[2-4]。在繪制電路時(shí)，只需將所需元件和虛擬仿真儀器直接放置在同一窗口下，再用導(dǎo)線將它們連接起來，且虛擬儀器的操作方式與實(shí)物相似，測量數(shù)據(jù)、特性曲線、波形圖的顯示也與真實(shí)儀器一致[5]。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，Multisim軟件可實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)同時(shí)進(jìn)行，可邊設(shè)計(jì)邊修改調(diào)試，仿真速度快、效率高、準(zhǔn)確性高。另外，該軟件對計(jì)算機(jī)的適配性較好，學(xué)生可自行安裝，無論在課內(nèi)、課外都可以進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和測試，能夠充分調(diào)動學(xué)生的積極性，提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

3 同相串聯(lián)型心電放大器的Multisim 仿真

3.1 搭建電路

基于圖1電路，在Multisim軟件中找到對應(yīng)的元器件，搭建好仿真實(shí)驗(yàn)電路，如圖2所示。圖中集成運(yùn)放選擇μA741型，XSC為虛擬示波器，可顯示輸入信號uI1、uI2和輸出信號uO的波形和幅值。V1和V2為調(diào)頻信號源，VCC和VSS為直流電源，給各級電路提供合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，為信號放大提供能量。

圖2 仿真電路圖

3.2 仿真參數(shù)設(shè)定

選擇調(diào)頻信號（chirp voltage）V1和V2作為uI1和uI2輸入信號源，V1參數(shù)設(shè)置：電壓為1mv-4mv，頻率為0.004-300Hz，脈沖時(shí)長為0.3S，弛豫時(shí)間為0.05S，V2參數(shù)設(shè)置：電壓為2mv-6mv，頻率為0.005-1000Hz，脈沖時(shí)長為0.3S，弛豫時(shí)間為0.05S。在達(dá)到上述條件時(shí)，V1和V2可用來模擬心電信號輸入，uI1和uI2相當(dāng)于心電圖機(jī)的兩個(gè)采集電極。VCC和VSS分別為15V和-15V。

3.3 仿真結(jié)果分析

3.3.1 波形觀察

接通電路，按下仿真按鈕，打開虛擬示波器觀測到的波形如圖3所示，可以看出通過同相串聯(lián)型心電放大器放大后虛擬示波器能夠顯示出波形，且在相對較長的時(shí)間內(nèi)都有輸出波形，證明可以測量到信號。

圖3 輸出波形圖

3.3.2 放大倍數(shù)測量

通過虛擬示波器分別測量出了uI1、uI2和輸出信號uo的值，在測試中將RC高通濾波器和RFCF為低通濾波器斷開，具體結(jié)果如表1所示，其中一次測量數(shù)據(jù)如圖4所示。通過公式Au=uo/ (uI2-uI1)計(jì)算出三次測量的放大倍數(shù)分別為872.73、849.47、913.29，平均值為878.60，這與理論值891很接近，相對誤差約為1.4%。從測量數(shù)據(jù)來看，經(jīng)過多次放大之后的放大倍數(shù)Au波動范圍較大，主要是由差模輸入過程中的零漂漂移所導(dǎo)致。

表1 輸入電壓uI1、uI2 和uo的測量結(jié)果

圖4 uI1、uI2 和uo的測量數(shù)據(jù)截圖

3.3.3 濾波信號測量

為檢測濾波效果，使用波特儀XBP分別測試了RC高通濾波器和RFCF為低通濾波器的波特圖，如圖5所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示濾波后頻率分布在0.051-106.6 Hz之間，保證了輸出信號的頻率分布在心電信號范圍內(nèi)，證明了濾波效果較好。

4 結(jié)束語

文章基于multisim軟件對同相串聯(lián)型心電放大器實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，從實(shí)驗(yàn)原理分析、電路設(shè)計(jì)、參數(shù)設(shè)置、仿真結(jié)果分析等幾個(gè)方面對該仿真實(shí)驗(yàn)做了詳細(xì)介紹，且實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相吻合，證明了仿真實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的引入，可優(yōu)化實(shí)驗(yàn)教學(xué)流程，有利于提高學(xué)生的知識應(yīng)用、知識遷移能力。

圖5 (a)和5(b)分別表示RC高通濾波器和RFCF為低通濾波器的波特圖